基于Φ‑OTDR的高压输电线路覆冰舞动监测方法

摘要

本发明公开了基于Φ‑OTDR的高压输电线路覆冰舞动监测方法。通过Φ‑OTDR系统得到光缆中瑞利背向散射信号在时间和空间上的分布；作傅里叶变换，得到瑞利信号的频谱图；根据频谱图中基频和高次谐波左右边缘的端点，采用最小二乘法分别拟合出两条直线，得到近似等腰梯形；求近似等腰梯形的输电线的空间振动中心，确定易发生覆冰舞动的空间段；将频谱图中的近直流到最高频的分量叠加，连续读取多张频谱，拼接成高频能量系数的时间‑空间图；提取高频能量系数的时域信号，对该信号作滑动平均处理，再作傅里叶变换确定振动信号周期，得到输电线舞动的昼夜变化规律，确定易发生覆冰舞动的时间段。本发明能及时发现并排除线路运行安全隐患，避免重大经济损失。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了基于Φ-OTDR的高压输电线路覆冰舞动监测方法。

背景技术

目前，光纤传感以其绝缘、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、耐水、易植入、组网方便等优势逐渐得到电力行业的青睐，并在智能电网建设中的许多应用领域成为最佳选择。准分布式光纤传感在变压器绕组测温、变压器油温监测、开关柜测温、杆塔倾斜监测等方面应用技术日趋成熟且优势明显。分布式光纤传感充分利用电力光纤通信网中已有闲置光纤资源，在输电线路的温度、应变、振动、覆冰、局部放电等方面应用效果显著、发展前景广阔。

分布式光纤传感技术利用光纤中的光散射效应来实现被测信息的传感，在电力行业应用广泛：光时域反射计(OTDR)，主要用于电网通讯光缆的损伤点检测；拉曼光时域反射计(ROTDR)，主要用于输电线路的温度监测，进而拓展到基于温度的火灾监测、动态载流量监测；布里渊光时域反射计(BOTDR)和布里渊光时域分析仪(BOTDA)，主要应用于输电线路的温度和应变监测。

Φ-OTDR灵敏度极高、测量相应速度快、抗电磁干扰，且能实现长距离全分布式传感。在电力系统中使用Φ-OTDR系统，可以从振动角度对被测架空地线复合光缆(OPGW)运行状态进行评估。通过建立不同线路运行状态下各参数取值范围和变化规律的数据库，实现对被测线路运行状态的在线安全监测，从而做到事故隐患及时排除，避免重大经济损失。然而Φ-OTDR在电力行业未见广泛应用，目前也缺少关于输电线舞动的高效分析方法。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供基于Φ-OTDR的高压输电线路覆冰舞动监测方法，弥补现有技术在输电线舞动分析方面的缺失。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

基于Φ-OTDR的高压输电线路覆冰舞动监测方法，包括以下步骤：

(1)通过Φ-OTDR系统得到架空地线复合光缆中瑞利背向散射信号在时间和空间上的分布，得到原始信号图；

(2)在每个特定距离沿时间轴进行傅里叶变换，得到瑞利信号的空间-频率二维图，即频谱图，该频谱图的横坐标为光纤长度，纵坐标为频率；

(3)根据频谱图中基频和高次谐波左右边缘的端点，采用最小二乘法分别拟合出两条直线，这两条直线与频谱图的坐标轴组成一个倒置的近似等腰梯形；

(4)求近似等腰梯形的几何对称轴，即输电线的空间振动中心，从而确定易发生覆冰舞动的空间段；

(5)将步骤(2)得到的频谱图中的近直流到最高频的分量叠加，连续读取多张频谱，拼接成高频能量系数的时间-空间图；

(6)从高频能量系数的时间-空间图中提取高频能量系数的时域信号，对该时域信号进行滑动平均处理，再作傅里叶变换确定振动信号强弱变化的周期，得到输电线舞动的昼夜变化规律，从而确定易发生覆冰舞动的时间段。

进一步地，在步骤(4)中，根据两条拟合直线与频谱图横坐标轴的交点确定振动中心的范围，单独对振动中心范围内的频域信号进行观察，若某处的频域信号与它前、后一段距离的频域信号形成良好的对称性，则该处为输电线的空间振动中心。

进一步地，在步骤(5)中，近直流由风致振动频率的最小值决定，最高频由Φ-OTDR系统自身的最大可测频率决定；所述高频能量系数反映了振动的强弱程度，由相邻频谱的时间间隔得到高频能量系数的时间-空间图的总时间跨度。

进一步地，在步骤(6)中，所述振动信号强弱变化的周期T的计算公式如下：

上式中，T的单位为小时，T_s为高频能量系数频域信号图中相邻两点的时间间隔，T_s的单位为分钟，n为采样点数，X对应为高频能量系数频域信号图中峰值的横坐标。

采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)本发明采用相位敏感光时域反射系统来获得输电线的振动数据，具有响应速度快、定位精度高、抗电磁干扰等优点,且能够实现长距离全分布式传感；本发明使用OPGW光缆组建成大规模的抗干扰能力强的光纤传感网络，省去布置其他传感器的成本；

(2)本发明基于频谱图，采用最小二乘法、求对称轴得到振动中心，由此可以找出输电线中的易振空间段进行重点监测，基于高频能量系数的时间-空间图，可以发现输电线振动的昼夜变化规律，从而确定易振时间段。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是原始信号图；

图3是原始信号作傅里叶变换后的频谱图；

图4是基于频谱图所求的输电线路振动中心图；

图5是高频能量系数的时间-空间图；

图6是经滑动平均后高频能量系数的时序信号图；

图7是高频能量系数的频域信号图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

下文提供了本发明的一个具体实施例，如图1所示，具体过程如下。

步骤一、通过电网中的分布式光纤传感系统进行传感监测，得到瑞利背向散射信号在时间和空间上的分布，得到原始信号图，如图2所示，横坐标为光纤长度，纵坐标为一个原始文件的时间跨度，灰度表示功率的强度。

步骤二、在每个特定距离对预设时长的数据进行傅里叶变换得到瑞利信号的频谱图，如图3所示，横坐标为光纤长度，纵坐标为频率。

步骤三、在图3中，基频和高次谐波的左边缘端点坐标依次为(696,23.2),(880,46.4),(880,68.99),(1009,114.2),(1166,160.9),右边缘端点坐标(3945,23.2),(3792,46.4),(3645,68.99),(3479,114.2),(3415,160.9),分别根据左右边缘的端点用最小二乘法(LM)拟合出两条直线，如图4虚线部分。可以看出，直线和坐标轴组成一个倒置的近似等腰梯形，亮线表示较强的频率分量。随着频率增大，亮线对应的距离范围越窄，到160.9Hz时，亮线对应的距离范围只剩下大概1100m到3500m一段。已知越接近振动中心的位置高频分量越明显，远离振动中心的位置高频分量甚至会消失，所以求出近似等腰梯形的几何对称轴即可知道空间振动中心所在处，图4中的振动中心2390m。

步骤四、将步骤二频谱图中5～250Hz的频率分量叠加，5Hz由风致振动频率的最小值决定，250Hz由仪器自身的最大可测频率决定。每张频谱的距离轴不变，各距离对应的频率信息由各频率的系数分布情况变为系数相加的值。连续读取8640张频谱，拼接成高频能量系数的时间-空间图，如图5所示。

步骤五、从高频能量系数的时间-空间图中提取高频能量系数的时域信号，进行滑动平均处理，得到图6，可以看出图中的信号呈现一定的周期性，且白天信号的整体幅度大于晚上的。此处滑动平均相当于一种低通滤波。动态测试数据y(t)由确定性成分f(t)和不确定成分e(t)组成，且前者为所需的测量结果或有效信号，后者即随机起伏的测试误差或噪声，经离散化采样后，可相应地将动态测试数据写成：

y_j＝f_j+e_j>

为了更精确地表示测量结果，抑制随机误差e_j的影响，常对动态测试数据y_j作平滑和滤波处理。具体地说，就是对非平稳的数据y_j，在适当的小区间上作某种局部平均，以减小e_j所造成的随机起伏。这样沿全长N个数据逐一小区间上进行不断的局部平均，即可得到较平滑的测量结果f_j，而滤掉频繁起伏的随机误差。

步骤六、对滑动平均后的信号作傅里叶变换，得到如图7所示的频谱图，图中相邻两点的时间间隔T_s(min)，那么采样率为4320个点(连续读取了8640张频谱，每一段时域信号都是8640个点，傅里叶变换之后也是8640个点，但由于频域是中心对称的，所以只取一半处理)对应的总频率范围频域信号峰值对应的横坐标X的点对应频率为对应周期即将X＝30，T_s＝5代入，得到傅里叶变换的峰值处对应的周期为24h，恰好是一天。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员做出的若干简单推演或替代，在不脱离本发明构思的前提下，都应当视为属于本发明的保护范围。